Waste valorization of coconut shell char as a partial cement replacement in sustainable mortar: fresh-state, setting, and mechanical performance
本研究表明，通过热解生产并将其作为部分水泥替代品掺入 5–10% 的椰壳炭，可以优化可持续砂浆在新鲜状态性能与力学性能之间的平衡，其中 5% 的掺量比对照组具有更优的抗压强度和抗折强度。
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混凝土是地球上使用最广泛的建筑材料，构成了我们城市、桥梁和房屋的骨架。然而，混凝土的主要成分——波特兰水泥（硅酸盐水泥）却带来了沉重的环境代价。制造过程释放了大量的二氧化碳并消耗了大量的矿物资源，这促使工程师寻找在不损害最终结构强度的前提下减少其使用的方法。一个充满前景的方向是将部分水泥替换为经过转化后的细微碳质粉末废弃物。这种方法旨在将农业剩余物转化为有用的建筑组件，从而在管理废弃物的同时，潜在地降低建筑业的碳足面。挑战在于寻找添加的最佳比例：加得太少可能起不到作用，而加得太多则可能削弱材料，或导致材料在硬化前无法进行浇筑和成型。
在最近的一项研究中，研究人员调查了椰子壳（热带地区常见的废弃物）是否可以作为此类替代品。他们将废弃的椰子壳置于低氧环境下，在750摄氏度的高温下加热两小时。这一被称为“热解”的过程将坚硬的外壳变成了黑色的轻质粉末，即椰壳炭。所得材料是一种具有高含碳量的细微多孔物质，与它旨在取代的重质矿物基水泥截然不同。研究团队将这种炭混合到标准砂浆（由水泥、沙子和水组成的混合物）中，添加量从极少量到接近固体混合物的三分之一不等。他们的目标是观察这种添加物如何影响混合物在湿润状态下的行为、硬化所需的时间，以及在养护一个月后的强度表现。
结果表明，添加椰壳炭以可预测的方式改变了砂浆的特性。由于炭更轻且布满了微孔，随着添加量的增加，新鲜混合物的密度变得更低。然而，这种多孔性也使混合物变得更难操作。炭颗粒粗糙且类似海绵的表面吸收了部分搅拌用水，并增加了颗粒间的摩擦，导致随着炭含量的增加，砂浆的流动性显著下降。混合物的硬化时间也变长了；随着炭含量的增加，砂浆开始凝结和完全硬化的时间都延长了，这可能是因为可用于触发结合材料之化学反应的水泥量减少了。
尽管在新鲜状态下发生了这些变化，但硬化后砂浆的机械强度却呈现出一种令人惊讶的模式。当研究人员在28天后测试样本强度时，他们发现添加少量的炭实际上增强了砂浆的强度。体积占比为5%的椰壳炭混合物达到了38.1兆帕的抗压强度，明显高于不含炭的对照组所记录的31.6兆帕。同样，这5%的混合物还表现出了更好的柔韧性，比标准砂浆更能抵抗弯曲力。然而，这种益处并未无限持续。当研究人员将炭的添加量增加到10%以上时，强度开始下降。在高水平添加时，水泥含量的减少以及引入过多的多孔、非活性颗粒抵消了原本的优势，导致结构变弱。
研究结论指出，椰壳炭发挥作用存在一个特定的窗口期。5%至10%的替代水平提供了最佳平衡，既能减少水泥的使用，又能维持甚至提高砂浆的结构性能。这一范围使所需的每质量单位水泥减少了约3.6%至7.2%，且没有牺牲材料的承重能力或抗裂性能。虽然炭并不像某些其他添加剂那样通过化学反应来强化水泥，但其物理特性有助于在低剂量时填充间隙并改善混合物的堆积。研究人员强调，虽然这种方法展示了将废弃物转化为有用资源的潜力，但它本身并不是一个完整的解决方案。环境效益取决于制造炭所消耗的能量以及材料的长期耐久性，这些领域仍需进一步研究。目前，这项工作证明了适量的加工椰壳可以作为可持续砂浆的一种可行成分，为减少对传统水泥的依赖迈出了务实的一步。
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